INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E
TECNOLOGIA DO CEARÁ – IFCE.
CURSO DE ENGENHARIA DE MECATRÔNICA
PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS.
BÁRBARA BARROS
FLAVIENNE SOARES
FRANCISCO ADAILTON
MARIA RAYANNE
MATHEUS ALBUQUERQUE
NILTON ALENCAR
ABORDAGEM EXPLICATIVA SOBRE O CONTEÚDO DE
PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS.
Fortaleza – CE
Maio/ 2014
BÁRBARA BARROS
FLAVIENNE SOARES
FRANCISCO ADAILTON
MARIA RAYANNE
MATHEUS ALBUQUERQUE
NILTON ALENCAR
ABORDAGEM EXPLICATIVA SOBRE O CONTEÚDO DE
PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS.
Texto sobre as propriedades elétricas dos
materiais com o intuito de desenvolver uma
teoria sobre o assunto em destaque, sendo
requisito parcial para a disciplina de Ciências
dos Materiais do curso de Engenharia de
Mecatrônica – Instituto Federal de Educação
Ciência e Tecnologia do Ceará.
Orientador: Prof. Dr. Eloy Macedo.
Fortaleza - CE
Maio / 2014
2
Sumário
1. Introdução
2. Lei de Ohm, Condutividade Elétrica e Condução Eletrônica e Iônica.
3. Condução Eletrônica e Iônica
4. Estruturas da Banda de Energia nos Sólidos
5. Condução em Termos de Bandas e Modelos de Ligação Atômica
6. Mobilidade Eletrônica
7. Resistividade Elétrica dos Metais
8. Características Elétricas de Ligas Comerciais
9. Semicondução Intrínseca
10.Semicondução Extrínseca
11.A Variação da Condutividade e da Concentração de Portadores com
a Temperatura
12.O Efeito Hall
13.Dispositivos Semicondutores
14.Condução nos Materiais Iônicos
15.Propriedades Elétricas dos Polímeros
16.Capacitância
17.Vetores de Campo e Polarização
18.Tipos de Polarização
19.Dependência da Constante Dielétrica em Relação à Frequência
20.Materiais Dielétricos
21.Resistência Dielétrica
22.Ferroeletricidade
23.Piezoeletricidade
24.Conclusão
25.Referências Bibliográficas
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1. Introdução
O comportamento elétrico normalmente é um fator crítico na seleção
de materiais. Os comportamentos elétricos dos diferentes materiais são
diversos. O principal objetivo desse trabalho é explorar as propriedades
elétricas dos materiais, isto é, as suas respostas à aplicação de um campo
elétrico.
A condução elétrica é o resultado do movimento de portadores de
carga (como os elétrons) dentro do material, encontrando assim uma
manifestação do conceito de que a estrutura atômica e microscópica leva às
propriedades.
A facilidade ou dificuldade de condução elétrica em um material pode
ser entendida retornando-se ao conceito de níveis de energia. Nos materiais
sólidos, níveis de energia discretos dão caminho às bandas de energia,
pois, é o espaçamento relativo dessas bandas que determina a magnitude
da condutividade.
Os metais, com grandes valores de condutividade. Cerâmicas, vidros
e polímeros, com pequenos valores de condutividade, são chamados de
isolantes. Semicondutores, com valores intermediários de condutividade,
são mais bem definidos pela natureza ímpar de sua condução elétrica.
2. Lei de Ohm, Condutividade Elétrica e Condução Eletrônica e Iônica
Iniciamos o estudo das propriedades elétricas falando sobre
correntes elétricas, isto é, cargas em movimento. Embora uma corrente
elétrica seja um fluxo de cargas em movimento, nem todas as cargas em
movimento constituem uma corrente elétrica. Quando dizemos que uma
corrente elétrica passa através de uma determinada superfície, é porque
deve existir um fluxo líquido de cargas através daquela superfície.
A condução elétrica é o resultado do movimento de portadores de
carga (como os elétrons) dentro do material.
Uma das características elétricas mais importantes do de um material
é a facilidade com que ele transmite uma corrente elétrica. A característica
do condutor, relevante na situação, é a sua resistência. A resistência de um
condutor é determinada por :
4
R = Vi
(A Primeira Lei de Ohm)
onde V é a diferença de potencial entre aquelas superfícies e i é a corrente.
A resistência é medida em ohm (Ω). Um condutor cuja função num circuito é
fornecer uma resistência específica é chamado de resistor. A resistência R
de um fio condutor de comprimento L e seção transversal uniforme é
R =ρ LA
(A Segunda Lei de Ohm)
em que A é a área da seção transversal.
A resistividade é definida pela suposição que os elétrons de
condução num metal são livres para moverem-se do mesmo modo que as
moléculas de um gás. A resistividade ρ do material, em vez de tratarmos da
corrente i através do resistor, tratamos da densidade de corrente J,
definindo como:
ρ = EJ
ou ρ = me ²nt
( Fórmulas da Resistividade)
E condutividade elétrica como:
𝜎 = 1ρ
(Condutividade Elétrica)
Um resistor é um condutor com uma resistência específica. A Lei de
Ohm afirma que a corrente fluindo através de um dispositivo é diretamente
proporcional à diferença de potencial aplicada ao dispositivo. Um
dispositivo condutor obedece à lei quando uma resistência é independente
do valor e da polaridade da diferença de potencial aplicada.
A Segunda Lei de Ohm pode ser expressa como
J = σ E (Segunda Lei de Ohm)
5
em que J é a densidade de corrente e E é a intensidade do campo elétrico,
ou a diferença de voltagem entre dois pontos dividida pela distância que os
separa, ou seja,
E = Vl
( Campo Elétrico)
Uma forma de classificar os materiais sólidos é de acordo com a
facilidade pela qual eles conduzem uma corrente elétrica; nesse esquema
de classificação, existem três grupos: condutores, semicondutores e
isolantes.
Os condutores são materiais nos quais as cargas elétricas se
movem com mais facilidade em seu interior, como os metais. Os não-
condutores, ou isolantes, são materiais nos quais as cargas não podem se
mover, como os plásticos, a borracha e o vidro. Os semi-condutores são
materiais com propriedades elétricas intermediarias entre as dos
condutores e as dos semi-condutores, como o silício e o germânio.
Uma corrente elétrica resulta do movimento de partículas
eletricamente carregadas em resposta a forças que atuam sobre elas a
partir de um campo elétrico externamente aplicado. As partículas
carregadas positivamente são aceleradas na direção do campo, enquanto
as partículas carregadas negativamente são aceleradas na direção oposta.
Na maioria dos materiais sólidos, uma corrente tem origem a partir do fluxo
de elétrons, o que é denominado condução eletrônica. Nos materiais
iônicos, é possível haver um movimento resultante de íons carregados, o
que produz uma corrente; esse fenômeno é denominado condução iônica.
3. Estruturas da Banda de Energia nos Sólidos
Para definirmos as bandas de energia é necessário,
primeiramente, relembramos alguns conceitos da distribuição eletrônica
dos átomos. Cada elétron ocupa uma “posição” dentro do átomo que
está ligada ao seu estado energético. A caracterização de cada elétron
inclui, basicamente, a sua camada, a subcamada, o estado dentro de
6
cada subcamada e o seu spin. Em geral, os elétrons tendem a estar
sempre no estado de menor energia possível dentro do átomo e, se há
dois átomos dentro do mesmo estado, esses têm que ter spins opostos.
Agora, suponhamos um arranjo de átomos, de um determinado
metal. Pegando o sódio como exemplo, os subníveis de menos energia
permanecerão, praticamente, inalterados. Porém a camada mais externa
de elétrons (no caso, o nível 3s) é influenciada fortemente pelo conjunto
de átomos existente, principalmente devido ao fato de, nos metais, os
elétrons mais externos estarem “livres” (formando uma “nuvem
eletrônica”) na ligação metálica.
Essa influencia que cada elétron de valência sofre faz surgir
vários estados energéticos na camada mais externa, formando uma
banda de energia extremamente estreita, que corresponde à camada de
valência dos átomos de sódio. Vale ressaltar que essa banda de energia
é tida como diversos estados discretos (ou seja, descontínuos) de
energia, porém com uma separação muito pequena de uma para a
outra.
Fig. 1 – Nível de energia das bandas e ampliação dos diversos estados energéticos.
4. Condução em Termos de Bandas e Modelos de Ligação Atômica
O estudo dessas bandas de energia (que influenciam diretamente
nas propriedades elétricas do material) é feito, em geral, à temperatura
7
de zero absoluto (0 K). A essa temperatura, a energia do estado
preenchido mais alto é denominada energia (ou nível) de Fermi,
simbolizado por Ef. Abaixo, tem-se uma figura representando as bandas
de energia possíveis para os sólidos a 0 K.
A partir da energia de Fermi podemos definir o conceito de
elétrons livres, que serão os elétrons utilizados durante o processo de
condução do material. Porém, somente os elétrons que podem ser
acelerados por um campo elétrico (ou seja, os que possuem energia
maior que a Ef) são denominados de elétrons livres. Assim os elétrons
só precisam atingir o nível energético de um dos estados de energia
vazios acima da energia de Fermi.
Nos metais, a energia necessária para promover um elétron para
o estado vazio de energia mais próximo ao Ef é muito pequena gerando,
assim, um grande número de elétrons livres. Logo, pode-se concluir que,
com uma elevada quantidade de elétrons livres, os metais possuem uma
elevada condutividade.
Já nos semicondutores e isolantes, a condutividade pode ser
influenciada por três fatores: espaçamento entre as bandas (de valência
e de condução), temperatura e modelo de ligação atômica. Nesses
materiais, os elétrons têm que ser levado da banda de valência
preenchida até a vazia. Para isso é necessário que seja fornecido um
valor energético ao elétron de, aproximadamente, o valor da energia do
espaçamento entre as bandas (denominado Ee ou Eg). Assim, o valor
8
energético necessário para que um elétron seja levado para a banda
vazia é bastante elevado, ocasionando uma baixa condutividade.
Analisando a temperatura temos que, com o aumento da
temperatura há um aumento energético disponível para os elétrons,
ocasionando em uma maior quantidade de elétrons podendo chegar a
banda de condução (ou vazia). Quanto ao tipo de ligação, os
semicondutores têm como característica possuir uma ligação do tipo
covalente, onde os elétrons estão parcialmente presos aos átomos,
tendo uma relativa mobilidade. Já nos isolantes que possuem ligação
iônica ou fortemente covalente, os elétrons estão praticamente presos
ao material, não estando livres. Assim, os elétrons se movem mais
facilmente nos semicondutores que nos isolantes.
5. Mobilidade Eletrônica
Os elétrons livres de um material, ao serem submetidos a um
campo elétrico, são acelerados e geram uma corrente. Porém, o
movimento desses elétrons livres é influenciado por diversos fatores que
servem como “forças de atrito”. Essas forças aparecem devido ao
espalhamento dos elétrons e são ocasionadas pelas imperfeições do
retículo (átomos de impurezas, lacunas, discordâncias).
Mas mesmo com essa força contrária ao movimento dos elétrons
livres, esses ainda se movem na direção da aceleração gerada pelo
9
campo (no que podemos chamas de deslocamento líquido). A descrição
desse espalhamento (que funciona como uma medida da resistência do
material à passagem de corrente elétrica) pode ser feito através da
velocidade de arraste (υa) como sendo:
υa=μe×E
onde μe é o valor da mobilidade eletrônica. Já a condutividade (σ ) do
material é dada por:
σ=n×e×μe
onde n é o número de elétrons livres por unidade de volume e e indica o
valor da carga elétrica elementar.
6. Resistividade Elétrica dos Metais
A resistividade é definida como sendo o inverso da condutividade,
como já foi dito anteriormente. Logo, é adequado o estudo da condução
elétrica do ponto de vista da resistividade do material. Como já foi
discutido anteriormente, as imperfeições cristalinas geram o
espalhamento dos elétrons livres, onde as imperfeições são
influenciadas pela temperatura, composição e grau de deformação a frio
da amostra. Através de experimentos descobriu-se que a resistividade
de um material pode ser dada a partir da soma das resistividades das
vibrações térmicas, das impurezas e da deformação plástica
individualmente. Podemos descrever esse fato através da regra de
Matthiessen:
ρtotal= ρt+ρi+ρd
onde ρt, ρi e ρd representam, respectivamente, a resistividade térmica,
das impurezas e da deformação.
A influência da temperatura na resistividade é usada com
bastante frequência já que foi descoberta experimentalmente a
10
dependência linear da resistividade com o valor da temperatura como
sendo:
ρt=ρrt [1+α (T−T rt ) ]
onde ρrt é a resistividade do material à temperatura ambiente, α o
coeficiente de temperatura da resistividade (característico do material), T
a temperatura a qual se quer calcular a resistividade e T rt o valor da
temperatura ambiente. Pode-se justificar esse aumento da resistividade
devido ao fato de aumentar as vibrações térmicas do material.
A influencia das impurezas em um material é analisada a partir de
uma equação dependente apenas da concentração da impureza (c i) e é
dada por
ρi=A ci (1−ci )
e A é uma constante que independe da concentração de impureza.
Dessa equação podemos perceber que a resistividade possui um valor
máximo para um determinado valor de concentração de impureza, nunca
extrapolando esse valor, independente da concentração. Já a
deformação plástica não há um cálculo específico para sua influência na
resistividade sabendo-se, apenas, que este fator irá aumentar o valor da
resistividade do material.
7. Características Elétricas de Ligas Comerciais
Algumas ligas apresentam características elétricas específicas,
adequando-se a determinadas condições de uso. Por exemplo, em
circuitos elétricos, com o intuito de diminuir dissipação de energia, são
utilizados materiais que possuem uma alta condutividade elétrica. As
ligas fabricadas a partir do cobre são as mais utilizadas em diversas
aplicações elétricas. O alumínio também pode ser usado para a
condução elétrica, no entanto, sua condutividade é aproximadamente
metade da do cobre. A prata possui condutividade bem mais elevada
que os metais anteriormente mencionados. Porém, por ser um metal
nobre, o custo para a sua aplicação é muito alto.
11
Para determinados propósitos, é necessário manter as
propriedades de alta condutividade ao mesmo tempo em que a
resistência mecânica é aumentada. Tal resistência pode ser aumentada
a partir de uma deformação plástica à frio ou pela formação de solução
sólida. Ambas as técnicas acarretam em uma perda de condutividade.
Dessa maneira, um equilíbrio entre as duas propriedades, condutividade
elétrica e resistência mecânica, deve ser encontrado dependendo da
aplicação.
Outra aplicação de ligas comerciais tem relação com
componentes de aquecimento. Nesse caso, materiais que possuem
elevada resistividade devem ser empregados. Isso porque quanto maior
a resistividade, maior será a energia dissipada em forma de calor nesse
componente. Além disso, propriedades como resistência à oxidação e
elevados pontos de fusão são requeridas.
8. Semicondução Intrínseca
Os semicondutores possuem características intermediárias, em
relação à condutividade elétrica, em comparação aos condutores e aos
isolantes. Eles são classificados, basicamente, em dois grupos: os
semicondutores intrínsecos e os extrínsecos. A diferenciação é simples:
nos intrínsecos, as características de semicondutividade é definida pela
configuração eletrônica do metal puro. Já no outro subgrupo, o dos
condutores extrínsecos, sua semicondutividade é estabelecida de
acordo com o número de impurezas presentes no material.
Os semicondutores apresentam uma configuração eletrônica
peculiar. Existe a camada de valência dos átomos, camada mais externa
que possui valores de energia elevados. O elétron presente nesse
camada necessita ser excitado para se tornar um elétron livre. No
entanto, entre a camada de valência e a zona de condução, existe uma
zona proibida que tais elétrons devem ultrapassar. A dimensão dessa
zona é bem inferior nos semicondutores do que nos materiais isolantes.
O germânio (Ge) e o silício são os materiais semicondutores
típicos, ambos possuem ligações químicas covalentes e pertencem ao
grupo IV A da tabela periódica. Outros materiais compostos também
12
possuem características de semicondutividade, tais como: arsenato de
gálio (GaAs), antimoneto de índio (InSb), sulfeto de cádmio (CdS) e o
telureto de zinco (ZnTe).
A tabela a seguir apresenta algumas características de alguns
materiais semicondutores:
Material Espaçamento
entre Bandas
(eV)
Condutividad
e Elétrica
[1/(Ω-m)]
Mobilidade
do Elétron
(m²/V-s)
Mobilidade
do Buraco
(m²/V-s)
Si 1,11 0,0004 0,14 0,05
Ge 0,67 2,2 0,38 0,18
GaP 2,25 - 0,05 0,002
GaAs 1,42 0,001 0,85 0,45
InSb 0,17 20000 7,7 0,07
CdS 2,40 - 0,03 -
Zn Te 2,26 - 0,03 0,01
Tabela – Energias dos Espaçamentos entre Bandas, Mobilidade dos Elétrons e dos Buracos, e
Condutividades Elétricas Intrínsecas e Extrínsecas à Temperatura Ambiente para Materiais
Semicondutores
Analisando-se a tabela, percebe-se que a condutividade elétrica
do germânio (Ge) é consideravelmente superior a do silício. Esse fato
está relacionado com as dimensões dos espaçamentos entre bandas de
energia e outras propriedades como a mobilidade do elétron e do
buraco.
O conceito desse termo específico, buraco, apresenta bastante
importância na teoria dos semicondutores. Nesse tipo de material,
quando um elétron é ,de alguma forma, excitado para uma banda de
energia superior, acaba sendo criada uma espécie de lacuna no lugar
onde tal elétron estava anteriormente.
Na presença de um campo elétrico, os elétrons de maior nível de
energia tendem a ser acelerados no sentido oposto ao do campo. Se
considerarmos o buraco como sendo um região carregado
13
positivamente, pode-se considerar que o buraco se move no mesmo
sentido do campo elétrico.
Tem-se uma representação desse processo abaixo:
Figura 1. Modelo de configuração eletrônica para a condução elétrica no silício intrínseco.
Portanto, existem dois portadores de cargas, os elétrons e os
buracos. Dessa forma, pode-se apresentar uma expressão que determine a
condutividade elétrica em semicondutores, levando-se em consideração
ambos os portadores:
σ=n .|e|. μe+ p .|e|. μp
Nesse caso, “n” e “p” são os números de elétrons e buracos,
respectivamente. E a letra grega “µ” representa a mobilidade desses
portadores.
No caso específico dos semicondutores intrínsecos, todo elétron que
é excitado e se move na direção aposta ao do campo elétrico forma um
buraco, assim, n=p. Rearranjando-se a expressão anterior, obtém-se:
σ=n .|e|.( μe+μ p )=p .|e|.( μe+μp )
14
9. Semicondução Extrínseca
(Digite (cole) seu texto aqui)
10.A Variação da Condutividade e da Concentração de Portadores com
a Temperatura
(Digite (cole) seu texto aqui)
11.O Efeito Hall
(Digite (cole) seu texto aqui)
12.Dispositivos Semicondutores
(Digite (cole) seu texto aqui)
13.Condução nos Materiais Iônicos
(Digite (cole) seu texto aqui)
14.Propriedades Elétricas dos Polímeros
(Digite (cole) seu texto aqui)
15.Capacitância
(Digite (cole) seu texto aqui)
16.Vetores de Campo e Polarização
(Digite (cole) seu texto aqui)
17.Tipos de Polarização
15
(Digite (cole) seu texto aqui)
18.Dependência da Constante Dielétrica em Relação à Frequência
(Digite (cole) seu texto aqui)
19.Materiais Dielétricos
Os materiais dielétricos são materiais eletricamente isolantes, ou
seja, são materiais com baixa condutividade, nenhuma carga pode se
mover livremente. Conforme a tabela a seguir percebe-se uma diferença
de condutividade de cerca de 20 ordens de grandeza entre os materiais
condutores e isolantes, isso é o resultado dos espaçamentos entre as
bandas de energia maiores que 2 eV.
Tabela 1. Condutividades elétricas de alguns materiais em temperatura ambiente.
Esses materiais com baixa condutividade são aplicados
intensamente na indústria eletrônica. Uma variedade de materiais
cerâmicos e de polímeros é utilizada em isolantes e/ou em capacitores.
O uso industrial dominante das cerâmicas eletrônicas inclui suas
16
aplicações baseadas no comportamento magnético intimamente
associado.
Muitos dos materiais cerâmicos, incluindo o vidro, a porcelana, a
esteatita e a mica, possuem constantes dielétricas dentro da faixa de 6 a
10. Pode-se observar na tabela seguinte.
Tabela 2. Constantes e resistências dielétricas para alguns materiais dielétricos
Esses materiais também se caracterizam por exibirem um elevado
grau de estabilidade dimensional e de resistência mecânica. Dentre suas
aplicações típicas incluem-se o isolamento elétrico e de linhas de
energia, bases de interruptores e bocais de lâmpadas. A titânia (TiO2) e
as cerâmicas à base de titanato, tais como o titanato de bário (BaTiO3),
podem ser fabricadas com constantes dielétricas extremamente
elevadas, o que as torna especialmente úteis para algumas aplicações
em capacitores.
Para os isolantes a densidade de elétrons é extremamente
pequena, devido ao grande espaçamento entre as bandas. Em muitos
casos, o pequeno grau de condutividade nos isolantes não é o resultado
da promoção térmica dos elétrons através da separação entre as
bandas. Em vez disso, a pequena condutividade pode ser devida a
elétrons associados a impurezas no material. Ela também pode resultar
da condução iônica.
17
Figura 2. Um capacitor de placas paralelas envolve um isolante, ou dielétrico,
entre dois eletrodos metálicos. O acúmulo de uma densidade de carga na
superfície do capacitor está relacionado à constante dielétrica do material.
A Figura anterior mostra o acúmulo de cargas em uma aplicação
típica usando um isolante, ou dielétrico, um capacitor de placas
paralelas; a carga líquida de um capacitor é sempre nula, pois, para
cada carga positiva em uma placa existe uma carga negativa na placa
oposta, portanto, o capacitor acumula energia e não carga elétrica. Na
escala atômica, o acúmulo de cargas corresponde ao alinhamento dos
dipolos elétricos no interior do dielétrico. Esse conceito é explorado com
detalhes em conjunto com a discussão sobre os materiais ferroelétricos
e piezoelétricos. Uma densidade de carga, D (em C/m²), é produzida e é
diretamente proporcional à intensidade do campo elétrico, E (em V/m),
D=ϵE
Onde a constante de proporcionalidade, ϵ , é chamada de permissividade
elétrica do dielétrico e possui unidades de C/(V.m); permissividade
elétrica é a constante de proporcionalidade entre o deslocamento
dielétrico D e o campo elétrico E. Para determinado dielétrico, existe
uma diferença de potencial-limite, chamada de rigidez dielétrica, em que
ocorre um fluxo (ou rompimento) de corrente apreciável e o dielétrico
falha.
18
20.Resistência Dielétrica
Quando são aplicados campos elétricos muito altos através de
materiais dielétricos, grandes números de elétrons podem
repentinamente ser excitados para energias dentro da banda de
condução. Como resultados, a corrente através do dielétrico devido ao
movimento desses elétrons aumenta drasticamente; algumas vezes,
uma fusão, queima ou vaporização localizada produz uma degradação
irreversível, e talvez até mesmo a falha do material. Esse fenômeno é
conhecido por ruptura do dielétrico, algumas vezes, uma fusão, queima
ou vaporização localizada produz uma degradação irreversível, e talvez
até mesmo a falha do material. Esse fenômeno é conhecido por ruptura
do dielétrico, algumas vezes chamada de resistência de ruptura,
representa a magnitude de um campo elétrico que é necessário para
produzir uma ruptura, portanto, na ruptura do dielétrico a magnitude de
um campo elétrico necessária para provocar a passagem de uma
corrente significativa através de um material dielétrico.
21.Ferroeletricidade
O material ferroelétrico é caracterizado por ser um dielétrico que
pode exibir polarização na ausência de um campo elétrico. Esses
materiais são análogos aos materiais ferromagnéticos. Nos materiais
ferroelétricos existem dipolos elétricos cuja origem é explicada para o
titanato de bário, um dos materiais ferroelétricos mais comuns. Para o
BaTiO3 a estrutura cúbica é encontrada acima dos 120°C, esse
composto sob o resfriamento logo abaixo de 120°C sofre uma
transformação de fase para uma modificação tetragonal. A temperatura
de transformação (120°C) é chamada de temperatura crítica. O titanato
de bátio é considerado ferroelétrico abaixo de Tc. A estrutura tetragonal
em temperatura ambiente do bátio é assimétrica. Como resultado, o
centro global da carga positiva da distribuição de cátions dentro da
célula unitária é separado do centro global da carga negativa da
distribuição de ânions. Essa estrutura é equivalente ao dipolo elétrico
permanente na célula unitária tetragonal do BaTiO3. Ao contrário de um
19
material cúbico, a estrutura de dipolo da célula unitária tetragonal
permite uma grande polarização do material em resposta a um campo
elétrico aplicado.
Figura 3. (a) Vista frontal da estrutura cúbica do BaTiO3. (b) Abaixo de 120°C,
ocorre uma mudança tetragonal na estrutura. O resultado líquido é um
deslocamento para cima dos cátions e um deslocamento para baixo dos ânions.
O material ferroelétrico pode ter polarização nula na ausência de
campo aplicado devido a uma orientação aleatória de domínios
microscópicos, regiões onde o eixo c de células unitárias adjacentes
possuem uma direção comum. Sob um campo aplicado, as orientações
de dipolos da célula unitária aproximadamente paralelas à direção do
campo aplicado são favorecidas. Nesse caso, domínios com tais
orientações crescem à custa de outros, menos favoravelmente
orientados. O mecanismo específico de movimento das paredes dos
domínios é simplesmente o pequeno deslocamento das posições dos
íons dentro das células unitárias, resultando na mudança de orientação
líquida do eixo tetragonal c. Esse movimento das paredes dos domínios
resulta em uma polarização espontânea. Por outro lado, o material com
célula unitária simétrica é paraelétrico e apenas uma pequena
polarização é possível, uma vez que o campo elétrico aplicado produz
um pequeno dipolo induzido.
20
Figura 4. Um material paraelétrico exibe apenas um modesto nível de polarização
com campos aplicados. Em contraste, um material ferroelétrico exibe polarização
espontânea onde domínios de células unitárias orientadas de modo semelhante
crescem sob campos crescentes de orientação semelhante.
Quando se aplica um campo elétrico alternado ocorre o ciclo de
histerese, ou seja, uma corrente elétrica alternada é aplicada e assim o
campo elétrico é repetidamente variado. Como se pode ver no gráfico a
seguir.
21
Figura 5. Uma linha tracejada indica a polarização espontânea inicial. A
polarização de saturação (Ps) é o resultado do crescimento máximo dos
domínios (extrapolado até o campo nulo). Sob a remoção do campo, alguma
polarização remanescente (Pr) permanece. Um campo coercivo (Ec) é exigido
para alcançar a polarização nula (volumes iguais de domínios opostos).
Diversos parâmetros-chave quantificam o ciclo de histerese. A
polarização de saturação, Ps, é a polarização ocasionada pelo
crescimento máximo dos domínios. Ps é extrapolado para o campo nulo
(E=0) para corrigir a polarização induzida não devida à reorientação dos
domínios. A polarização remanescente, Pr, é a que permanece após a
remoção do campo real. A redução de E até zero não leva a estrutura de
domínios de volta a volumes iguais de polarizações opostas. É
necessário reverter o campo para um nível Ec (o campo coercivo) para
conseguir esse resultado. É o ciclo de histerese característico que dá
nome à ferroeletricidade.
22
22.Piezoeletricidade
A piezoeletricidade é uma propriedade não usual exibida por
poucos materiais cerâmicos, ou seja, a eletricidade pela pressão: a
polarização é induzida e um campo elétrico é estabelecido através de
uma amostra pela aplicação de forças externas. A reversão do sinal de
uma força externa (isto é, de tração para compressão) inverte a direção
do campo. Na figura a seguir é possível ver o efeito piezoelétrico.
Figura 6. (a) Dipolos no interior de um material piezoelétrico. (b) Quando o
material é submetido a uma tensão de compressão, é gerada uma tensão.
Os materiais piezoelétricos são utilizados em transdutores,
dispositivos que convertem energia elétrica em deformações mecânicas,
ou vice-versa. Dentre as aplicações dos materiais piezoelétricos
incluem-se as agulhas de fonógrafos, os microfones, os geradores
ultrassônicos, os medidores de deformação e os detectores por sonar.
Os materiais piezoelétricos incluem os tiatanatos de bário e
chumbo, o zinconato de chumbo (PbZrO3), o diidrogênio fosfato de
amônio (NH4H2PO4) e o quartzo. Essa propriedade é característica dos
materiais que possuem estruturas cristalinas complicadas com um baixo
grau de simetria. O comportamento piezoelétrico de uma amostra
policristalina pode ser melhoradopelo aquecimento acima de sua
23
temperatura Curie e em seguida pelo resfriamento à temperatura
ambiente em um campo elétrico forte.
23.Conclusão
Com base no que foi abordado, conclui-se que duas
características importantes de um material são sua condutividade e sua
resistividade elétrica. Assim, em relação a essas características um
material sólido pode ser classificado como um dielétrico, semicondutor
ou um metal.
Uma corrente elétrica é o resultado do movimento das cargas
elétricas, as quais são aplicadas a um campo elétrico a fim de serem
aceleradas. O número dessas cargas (elétrons lIvres) depende da
estrutura da de energia eletrônica do material. Logo, existe um tipo
distinto de estrutura de banda para os metais, para os semicondutores e
para os isolantes (dielétricos).
Dentre as propriedades evidenciadas para os materiais metálicos,
destaca-se que a resistividade elétrica aumenta com a temperatura, o
teor de impurezas e a deformação plástica.
Os condutores podem ser classificados como intrínsecos ou
extrínsecos. Sendo que os últimos podem ser do tipo n ou p. A
condutividade elétrica de materiais semicondutores é sensível ao tipo e
teor de impurezas, bem como à temperatura.
Existe uma variedade de dispositivos semicondutores que
emprega a característica elétrica única exibida por esses materiais de
executar funções eletrônicas específicas. Entre esses dispositivos
destacam-se a junção retificadora p-n e os transistores de junção e o
MOSFET. Os transistores são usados para a amplificação de sinais
elétricos, bem como para dispositivos comutadores em circuitos de
computadores.
Já os materiais dielétricos são isolantes elétricos, no entanto são
suscetíveis à polarização na presença de um campo elétrico. Esse
fenômeno de polarização na presença de um campo elétrico é
empregado em capacitores.
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Em suma, dois outros fenômenos foram discutidos: a
ferroeletricidade e a piezoeletricidade. Os materiais ferroelétricos são
aqueles que podem exibir polarização espontaneamente, na ausência de
qualquer campo elétrico externo. A piezoeletricidade é o fenômeno
segundo o qual a polarização é induzida em um material pela imposição
de forças externas.
Logo, as propriedades elétricas são de extrema importância para
a alta empregabilidade na eletrônica e em outros meios, desenvolvendo
e proporcionando materiais com características elétricas bem definidas.
24.Referências Bibliográficas
- JR., William D. Callister. Ciência e Engenharia de Materiais:
Uma Introdução, 5ª edição. Rio de Janeiro: LTC, 2002.
- Shackelford, James F. Ciência dos Materiais, 6ª edição. São
Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008.
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